Thiết kế móng cọc CTB

Hôm nay tôi đề xuất một chủ đề mới trong diễn đàn mà không mới đối với anh em chúng ta đó là thiết kế móng cọc cho giàn khoan cố định. Một vài chủ đề như sau, mong nhận được sự chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức của các bạn:
1) Lựa chọn đường kính và chiều sâu đóng cọc như thế nào trong thực tế tính toán thiết kế?
2) Tính toán sức chịu tải của cọc có kể đến sự làm việc đồng thời giữa cọc và nền đất?
3) Có thể xác định được tương đối chính xác trọng lương cột đất mắc (plugging) trong cọc trong quá trình đóng hay không và xác định như thế nào?
4) Phân tích đóng cọc sử dụng wave equation theory, i.e. GRLWEAP software.
Cheers!

 

Mình xin được mở màn là có lẽ chúng ta nên chia ra làm 2 phần: Phần 1 (Foundation Design) bao gồm các bài toán liên quan đến mục 1 và 2; Phần 2 bao gồm các bài toán liên quan đến 3 và 4 (Pile Driveablity Analysis).

 

Admin xin trả lời câu 3 trước: Có thể xác định được tương đối chính xác trọng lương cột đất mắc (plugging) trong cọc trong quá trình đóng hay không và xác định như thế nào?
Hình 1: Cát mắc trong ống khi đóng cọc với loại cọc có đáy mở.

Để xác định chính xác trọng lượng cát mắc trong lòng ống (plugging), thực chất là chiều cao mà đất bị dồn lên như ở hình trên. cần giải bất phương trình sau:
Qf>Qp (1)
Trong đó:
Qf = pi()*d*fi*Ls
Qp = pi()*d2/4*fq
Thay vào phương trình (1) ta được:
pi()*d*fi*Ls > pi()*d2/4*fq
Ls > (d/4)*(fq.fi)
Thay Ls và công thức ở hình trên sẽ xác định được sơ bộ khối lượng cát mắc ở đầu ống khi đóng cọc.
Ký hiệu:
Qf là lực ma sát do đất bám ở trong lòng thành ống
Qp là lực kháng mũi đầu cọc do đất bám ở trong lòng thành ống
Tiết diện ống D,d,t lần lượt là đường kính ngoài, đường kính trong và bề dây ống.

Notes: đây chỉ là suy nghĩ của admin hoàn toàn không theo một chỉ dẫn nào trong sách, viết lên để AE cùng tham khảo và thẩm định sự đúng đắn của công thức.

 

Tôi đồng ý với cách chia vấn đề của Seastar nhưng có lẽ cũng giống như thiết kế kết cấu giàn chúng ta nên chia thành 2 phần:
1) In-serive Pile Engineering bao gồm các vấn đề như lựa chọn đường kính và độ sâu đóng cọc, sự tương tác giữa cọc và nền, thiết kế móng cọc công trình biển nền san hô, sự tương tác nhóm cọc & giữa cọc với drilling rig spudcan, etc.
2) Pre-service Pile Engineering bao gồm một số vấn đề như phân tích đóng cọc (pile driveability analysis sử dụng GRLWEAP, tính toán mỏi trong quá trình đóng cọc, mất ổn định mũi cọc, xác định chiều cao cột đất mắc trong long cọc mở (open-end pile), etc.

 

Hôm trước viết gần xong bài thì web bị lỗi nên không post lên được, mãi đến hôm nay mới có thời gian ngồi nặn óc ra viết lại J, biển học là vô cùng nếu có gì không đúng anh em cứ comment vô tư nhé:

1. Lựa chọn đường kính và độ sâu đóng cọc:

Với bất kỳ một dự án offshore nào thì từ trong giai đoạn rất sớm Chủ đầu tư (CĐT) phải tiến hành thuê một nhà thầu độc lập (ví dụ như Fugro hay TL GeoSciences) tiến hành các khảo sát địa kỹ thuật vàđịa vật lý (geotechnical & geophysical investigation) để làm đầu vào cho các giai đoạn thiết kế tiếp theo. Nếu Dự án là xây dựng một giàn đầu giếng chẳng hạn thì thông thường CĐT còn đưa vào phạm vi công việc thiết kế cơ sở phân tích đóng cọc , on-bottom stability study & mudmat design, etc. Chúng ta đang nói về thiết kế móng cọc vì vậy có lẽ chỉ nên tập trung vào geotechnical investigation report.
Kết quả chủ yếu trình bày trong cái report này chủ yếu bao gồm các nội dung như giới thiệu về dự án, vị trí dự án, các kết quả thu thập từ khoan hiện trường, các kết quả từ thí nghiệm hiện trường và thí nghiệm trong phòng, bảng phân loại các lớp đất và các thông số cơ lý tương ứng, đường cong sức chịu tải của cọc và các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa lực tác đụng lên cọc & chuyển vị tương đối giữa cọc và nền T-Z, Q-Z & P-Y cho một số đường kính cọc khác nhau để CĐT đánh giá lựa chọn, các đường cong này có lẽ là thông số quan trọng bậc nhất đối với anh em làm thiết kế móng cọc chúng ta, các phụ lục & tài liệu tham khảo.
Bản chất làm việc của móng cọc chủ yếu là truyền tải trọng đứng do trọng lượng giàn và ngẫu lực mô men do các thành phần tải trọng ngang tác dụng lên giàn gây ra xuống nền đất. Để quyết định sử dụng cọc có đường kính bao nhiêu và độ sâu đóng thế nào đòi hỏi rất nhiều kinh nghiệm của người thiết kế. Ít nhất phải có một nghiên cứu sơ bộ về số lượng giếng, số lượng và trọng lượng thiết bị trên topsides của giàn từ đó có ước lượng về kích thước các sàn cũng như kích thước và trọng lượng của toàn bộ kết cấu topsides, các hoạt tải trong quá trình vận hành, các giai đoạn (hay scenarios) vận hành giàn. Kích thước & trọng lượng của jacket cũng được sơ bộ ước lượng ở giai đoạn này, các mặt nghiêng của jacket có độ nghiêng bao nhiêu hay không nghiêng cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn đường kính và độ sâu cọc vì cọc nghiêng sẽ chịu mô men lật (overturning moment) tốt hơn.
Sau khi có được các con số ước lượng sơ bộ ở trên, đối chiếu với các đường cong sức chịu tải của các đường kính cọc khác nhau ở độ sâu khác nhau (theo kinh nghiệm của tôi độ sâu đóng cọc nên nằm trong khoảng 80-120m dưới đáy biển) người thiết kế sẽ quyết định số lượng cọc cần thiết. Cọc váy hay cọc đóng qua ống chính, nếu là cọc váy thì còn phải nghiên cứu thêm một số yếu tố kinh tế và kỹ thuật nữa mới quyêt định được vì liên quan đến khả năng thiết bị thi công, chi phí thi công, etc. Dưới đây là một ví dụ xác định sức chịu tải của cọc dựa trên đường cong sức chịu tải của cọc đường kính 54” ở độ sâu 100m.

Khi đã sơ bộ chọn được đường kính và độ sâu đóng cọc qua các bước trên rồi cần tiến hành thiết kế kỹ thuật tổng thể (FEED hay Preliminary Engineering) để confirm đường kính và độ sâu cọc dựa trên thiết kế tương đối chi tiết. Bây giờ sẽ nói về vấn đề tính toán một chút.
Trước kia ngành phần cứng và phần mềm chưa phát triển nên việc tính toán gặp tương đối nhiều khó khăn nên người ta thường giả thiết cọc liên kết ngàm với đất nền ở một độ sâu 3 đên 6 lần đường kính cọc tùy thuộc vào loại đất gì. Khi còn học ở trường có lẽ các bạn đã được các thầy đã giới thiệu về cái gọi là độ sâu ngàm giả định thường lấy bằng 3 đến 6 lần đường kính cọc chính là các thầy đã giới thiệu về phương pháp tính này. Nhưng tại sao lại là 3 – 6 lần đường kính cọc mà không phải là một con số nào khác? Trong thiết kế móng cọc CTB chúng ta phải chú ý đến một khoảng đất bị xói (scour) cái này tùy thuộc vào mỗi khu vực và phải có số liệu đo đạc để đánh giá. Nếu không có số liệu thì trước đây người ta hay giả thiết một giá trị scour = 1 lần đường kính cọc (trong bản mới nhất của tiêu chuẩn API RP 2A WSD hiện nay cho phép lấy bằng 1.5 đường kính cọc nếu không có số liệu đo đạc). Có một đoạn cọc bên dưới khoảng scour này trong vùng đó sự tiếp xúc giữa cọc và đất là rất yếu hoặc không tồn tại do đặc tính làm việc của cọc, đoạn này dài khoảng 3-5 lần đường kính cọc theo nghiên cứu của Randolph & Wroth (1982) do đó khi tổng hợp lại độ sâu ngàm giả định (tiếng anh gọi là neutralized pile height) sẽ từ 3 – 6 đường kính cọc. Sau khi tính toán ra phản lực tại ngàm giả định này chúng sẽ được kiểm tra với sức chịu tải của cọc ứng với đường kính và độ sâu cọc để tìm ra hệ số an toàn tương ứng. Hệ số an toàn này phải <=1.5 trong điều kiện bão và <=2.0 trong điều kiện vận hành theo API RP 2A.
Ngày nay các lý thuyết tính toán và ngành máy tính rất phát triển nên việc tính toán móng cọc có kể đến sự làm việc đồng thời giữa cọc và nền không còn là vấn đề khó khăn nữa. Về bản chất hệ cọc - nền là một hệ phi tuyến do đó việc tính toán động thời với hệ kết cấu bên trên là hệ tuyến tính sẽ đòi hỏi phải có một thuật toán lặp để tìm ra điểm hội tụ giữa hai hệ tuyến tính bên trên và hệ cọc - nền phi tuyến bên dưới. Mô đun PSI trong SACS hay Splice trong SESAM giúp giải bài toán phi tuyến cọc - nền này.
Sau khi có kết quả phản lực đầu cọc các phản lực này sẽ được kiểm tra đối chiếu với đường cong sức chịu tải của cọc kể trên để tìm ra hệ số an toàn tương ứng. Hệ số an toàn này cũng phải nhỏ hơn 1.5 và 2.0 theo yêu cầu của API RP 2A. Cần chú ý là phải sử dụng đúng đường cong sức chịu tải tro tổ hợp tải trọng đang xem xét ví dụ, cọc bị plugged hay không, cọc chịu nén hay chịu nhổ. Vẫn còn nhiều vấn đề chi tiết bên trong, mong anh em tiếp tục đóng góp ý kiến >-

 

Nhất trí với BrianNg, bạn viết rất thực tế.

Xin bổ sung tý. Nếu bác nào là chủ đầu tư, khi thuê khảo sát nhớ yêu cầu nhà thầu vẽ cho mấy cái đường cong sức chịu tải ứng với mấy loại đường kính cọc phổ biến. Cái này đơn giản nhưng lại rất chi là hữu ích khi làm conceptual design.

 

E thấy Bản chất của móng cọc không chỉ truyền tải trọng đứng xuống nền đất mà nó còn truyền ngang( Sức kháng bên của cọc), cái này cũng phải quan tâm chứ a.
Mà việc chọn kích thước cọc này thì không nhất thiết phải cần người có kinh nghiệm mới có thể chọn đúng, mà chúng ta có thể chịu khó tìm tòi, đọc các dự án đã có trước, để tham khảo cách làm của họ rồi mình chọn sơ bộ, tiến hành thiết kế sợ bộ rồi chạy nội lực để điều chỉnh dần, không biết ý kiến của e như thế có hợp lý không?

 

Bạn Vương nói cũng có cái đúng, có cái sai. Đúng là cọc cũng chịu tác động ngang do các tải trọng môi trường, lực va chạm hoặc động đất nhưng thông thường các trường hợp này là non-critical do sức kháng hông của nền đất lên cọc là rất lớn do đường kính cọc thường tương đối lớn, mặt khác thành phần ứng suất do tải trọng ngang lên cọc (mô men uốn, lực cắt) có thể dễ dàng điều chỉnh bằng cách tăng chiều dày cọc, hoặc tăng cường độ chảy dẻo của cọc (chọn vật liệu có mác cao hơn), thông thường vùng có ứng suất lớn nằm xung quanh mặt đáy biển (mudline).
Cái mà bạn Vương nói có ý đúng nữa là cần phải tham khảo các dự án đã có trước, nhất là dự án gần vị trí mà ta định xây giàn để để ước lượng sơ bộ khả năng chịu tải của nền đất, cái này cũng gần giống anh nào chuẩn bị xây nhà cũng nên sang anh hàng xóm tìm hiểu xem người ta xây móng gì, đóng cọc bao nhiêu mét, là loại cọc gì...(tìm hiểu móng thôi nhé đừng tìm hiểu cả vợ người ta )) Cái mà bạn nói sai đó là ai cũng biết là phải thiết kế lựa chọn sơ bộ rồi mới chạy ra nội lực rồi lặp đi lặp lại để ra kết quả cuối cùng - ai cũng biết là phải làm như vậy, nhưng đó là lý thuyết, nếu chưa làm bao giờ mà làm như bạn thì cuối cùng cũng ra kết quả thôi nhưng có lẽ phải đến tết Công Gô mới xong. Khi bạn triển khai một dự án thì không có nhiều thời gian để cho bạn làm theo kiểu trial-error như vậy đâu. Time is money!

 

Để trả lời cho bạn Vuong, tôi xin đặt câu hỏi. Có một thực tế xảy ra trong tính toán. Chuyển vị ngang đầu cọc theo lý thuyết trong trường hợp cực hạn có khi đạt đến năm bảy hoặc một vài chục cm. Lúc này chúng ta làm thế nào? Có phải tính lại SCT không? Nếu tính lại thì tính thế nào?

 

Xin cung cấp thêm cho AE một số thông tin về cách tính cũng như xác định điểm ngàm giả định, khi tính toán thiết kế cọc.
2/. Điều kiện biên của bài toán
Phương pháp mô phỏng sơ đồ thực sang sơ đồ tính toán để phân tích kết cấu:

Hình 4-1: Mô hình mô phỏng điều kiện biên

b/. Đường mặt đất tính toán
Đường mặt đất tính toán được thừa nhận đi qua điểm chân của mái dốc lòng bến và điểm 1/2 của khoảng cách đứng giữa mái dốc lòng bến và đường cao trình đáy khu nước trước bến (tính theo trục của cọc).
c/. Chiều dài chịu uốn của cọc

Hình 4-2: Xác định vị trí điểm ngàm giả định

Chiều dài chịu uốn L[SUB]U[/SUB] (m) của cọc được xác định theo lý thuyết của M.J. Tomlinson như sau:
Lu=e+zf
Trong đó:

e	Chiều dài tự do, m
z[SUB]f[/SUB]	Vị trí điểm ngàm, m, z[SUB]f[/SUB] = 1,8T
T	Hệ số độ cứng: T=(EI/nh)^(1/5)
E	Mô đun đàn hồi của vật liệu cọc, E = 2,00E+08 kN/m[SUP]2[/SUP]
I	Momen quán tính tiết diện cọc, m[SUP]4[/SUP]
n[SUB]h[/SUB]	Hệ số phản lực nền theo phương ngang, kN/m[SUP]3[/SUP]

d/. Độ cứng lò xo theo phương thẳng đứng
Độ cứng lò xo theo phương thẳng đứng được gán cho từng cọc tại vị trí ngàm giả định. Giá trị độ cứng lò xo K[SUB]v[/SUB] được tính theo công thức sau đây: Kv=ApEp/L
Trong đó:
A[SUB]p [/SUB] Diện tích tiết diện cọc, (mm[SUP]2[/SUP])
E[SUB]p [/SUB] Mô đun đàn hồi của vật liệu cọc (kN/mm[SUP]2[/SUP])
L Khoảng cách giữa điểm ngàm giả định và mũi cọc.

 

""

 

Vấn đề này mình không nắm rõ nên ngồi hóng hớt anh em chút mong được học hỏi thêm.

Anh em cho hỏi ngoài lề một chút là các giá trị T-Z, Q-Z & P-Y hình như để phục vụ cho đầu vào PSI trong phần mềm SACS phải không? Phần mềm Splice/Sesam có dùng những giá trị này không?

 

Những giá trị này đều phải dùng cho thiết kế cọc. SACS, SESAM hay tính tay đều dùng và nếu cùng phân chia phần tử cọc, đất và các thông số đầu vào như nhau thì kết quả hoàn toàn giống nhau.

 

Bạn CTBVN cho mình hỏi, khái niệm "phân chia" phần tử cọc là gì vậy?
Trong tiểu chuẩn thiết kế coc 205-1998 TCVN, có nói qua về cách chia các nhỏ lớp đất để tính SCT của cọc, mục đích là để tăng tính đồng nhất của lớp đất mà cọc đi qua.
Trong bảng Excel bạn giới thiệu ở bài viết trước, thì chiều dày chia lớp đất bạn sử dụng đang là bao nhiêu?

 

Xin phép bạn Vương cho tôi nói thẳng. Tôi không rõ bạn có hiểu những gì mình viết ra trong đoạn "văn" mà bạn gọi nó là để chứng minh gì đó hay không? Bạn nói là bạn chia cọc ra thành các đoạn <2m là căn cứ ở đâu ra? nhỏ hơn 2m la 0m hay la 1.99999m? đều là <2m cả, rồi sau đó bạn viết ra một số công thức rất đẹp nào là hệ số nền cx, cy, cz gì gì đó phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất nền cụ thể là phụ thuộc vào cái gì??? rồi bạn lại nói là cách xác định hệ số nền là dựa vào các tiêu chuẩn DnV, API thông qua mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng của nền đất p-y, t-z ... đã có rồi không nói nữa??? Bạn nói dễ nghe nhỉ, bạn phải biết rằng p-y, t-z, q-z là các đường CONG chứ không phải đường thẳng để bạn xác định ngay được cái hệ số góc của nó nhé. Rồi sau đó bạn vẽ vào mô hình một cái jacket rât đẹp, bên dưới cọc gắn một số cái lò xo cũng rất đẹp, rồi bạn viết vào một phương trình vi phân bậc hai tuyến tính của hệ jacket nào M, C, K, F(t) giả thiết là hàm điều hòa!!! rồi giải ra chuyển vị là x(t) đang là của hệ jacket bạn lại biến nó thành chuyển vị đầu cọc??? vậy thế những cái M, C, K này nó nằm ở đâu vậy?? tại sao đang từ bài toán của cả hệ lại thành bài toán một bậc tự do vậy??? Mà trong cái nghiệm x(t) của bạn tôi tìm không thấy cái nào liên quan đến mấy cái cx, cy, cz ở trên vậy các tính chất cơ lý của nên đất chẳng ảnh hưởng gì đến kết quả chuyển vị đầu cọc sao???
Mà tôi thấy bạn giải ra nghiệm bài toán phương trình vi phân tuyến tính bậc hai không đúng, nghiệm của phương trình loại này phải là tổng của nghiệm của phương trình vi phân tuyến tính thuần nhất (nonhomogeneous differential equation) và nghiệm riêng (particular solution) chứ nó không phải giống như nghiệm mà bạn viết ra đâu.
Nói tóm lại không biết có phải bạn đang trích dẫn từ nghiên cứu khoa học gì đó của bạn hay không nhưng cách mà bạn chứng minh vấn đề là không thuyết phục, bạn nên làm một cái gì đó thật cụ thể nhưng logic và có cơ sở khoa học đàng hoàng chứ chứng minh như vậy không thể gọi là khoa học được.

 

Bác BrianNg lại không hiểu ý e, cách chứng minh của e ở trên là e đi theo 2 hướng khác nhau hoàn toàn, một cái là mô hình hoá đất nền, cái dưới là làm theo phương pháp phần tử hữu hạn. Như bác nói là đúng, với phương pháp phần tử hữu hạn thì M,K,C thực chất nó là các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng,..Nó là nhiều bậc tự do, nhưng ứng với mỗi dạng dao động thì ta sẽ tìm được chuyển vị ở các vị trí khác nhau của giàn, cái này đã được chỉ rõ trong môn Động Lực Học Công Trình, nhưng nhưng môn này bây giờ đã được ứng dụng vào các phần mềm như SAP, nên đây chỉ là cách tính tay đơn thuần với ít bậc tự do.
+/ Còn về cách thứ nhất( mô hình hoá đất nền): thì e xin trích dẫn bài cách xác định hệ số nền như sau để bác tham khảo:
""
---------- Post added 26-07 at 12:06 AM ---------- Previous post was 25-07 at 11:59 PM ----------

Cách giải thích của e ở trên là e muốn đi vào bản chất của vấn đề, chứ bây giờ nó được ứng dụng vào các phần mềm.
Trả lời cái câu hỏi mà bác đặt ra ở trên là khi chuyển vị đầu cọc trên lý thuyết tính toán mà lớn thì làm như nào:
Theo cách lý luận của e như ở trên thì có 3 cách để giảm chuyển vị:
+/ Tăng đường kính cọc
+/ Tăng chiều dài cọc
+/ Giảm khối lượng thượng tầng.
E chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chỉ giám đữa ra những nhận xét như vậy, có gì sai xót mong các bác cứ chỉ giáo.
Thanks!

 

Nói thực là tôi vẫn chưa hiểu cách chứng minh của bạn, bạn có 2 bài toán khác nhau nhưng lại lấy kết quả của bài toán này để chứng minh cho bài toán kia?

 

Cả trong SACS PSI/Pile và Gensod/Splice của SESAM đều sử dụng các đường T-Z, Q-Z & P-Y vào để tính toán móng cọc. Cả 2 cùng có một số option để người dùng lựa chọn đó là sử dụng các đường cong do nhà thầu khảo sát địa chất đề xuất hoặc sử dụng các đường cong mặc định của API. Gensod là mô đun pre-processor của SESAM Splice để tính toán ra các đặc tính nền trước khi phân tích và có thêm một số option nữa đó là sử dụng đường cong mặc định trong tiêu chuẩn DNV hay Gensod sẽ tính toán tạo ra các đường cong dựa trên các thông số đầu là tính chất cơ lý của lớp đất ví dụ như lực dính đơn vị (Sét), góc ma sát trong (cát), ma sát giữa cọc và đất, etc.

 

Như vậy là Sesam vẫn dùng các giá trị T-Z, Q-Z & P-Y để tính và khi tính toán bằng Sesam thì vẫn phải bắt các nhà thầu địa chất đưa ra các giá trị T-Z, Q-Z & P-Y?

Mình lại nghe nói rằng trong Sesam chỉ cần nhâp các chỉ tiêu cơ lý của đất là nó tính ra các thứ khác mà không cần "làm khó" các nhà địa chất là phải tính ra các giá trị T-Z, Q-Z & P-Y để nhập vào như SACS.

 

Như mình nói ở trên mô đun Gensod trong SESAM có thể tự tạo ra các đường cong t-z, q-z & p-y để dùng cho các tính toán sau đó dựa trên các tính chất cơ lý mà người dùng nhập vào, đó là 1 option mà người dùng có thể lựa chọn bên cạnh các option khác. Lý do phải yêu cầu nhà thầu khảo sát tạo ra các đường cong này là CDT không muốn bị phụ thuộc buộc phải sử dụng một phần mềm nào đó cho thiết kế công trình của mình nên để cho chắc ăn thì cứ bắt mấy ông Fugro, TL Geo,... tạo ra một loạt đường cong để sử dụng sau này. Hơn nữa để tạo ra các đường cong t-z, q-z & p-y đó có thể là khó với người làm kết cấu như anh em mình nhưng chằng có gì là khó với mấy nhà địa chất đó cả.